29. Элементарные частицы: классификация и характеристика.
Термин «элементарная частица» первоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина «элементарный» применительно к микрообъектам. Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют ту или иную структуру, но тем не менее исторически сложившееся название продолжает существовать. Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа.
Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, — фотоны. Остальные частицы по этому признаку делятся на: лептоны — легкие частицы (электрон и нейтрино); мезоны — средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона; барионы — тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы.
Электрический заряд является другой важнейшей характеристикой элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. В 1967 г. американский физик М. Гелл-Манн высказал гипотезу о существовании кварков — частиц с дробным электрическим зарядом.
По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно стабильные частицы играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны, они существуют около 10-10 — 10-24, после чего распадаются.
Помимо заряда, массы и времени жизни, элементарные частицы описываются также понятиями, не имеющими аналогов в классической физике: понятием «спин», или собственный момент количества движения микрочастицы, и понятием «квантовые числа», выражающим состояние элементарных частиц.
Согласно современным представлениям, все элементарные частицы делятся на два класса: фермионы (названные в честь Э. Ферми) и бозоны (названные в честь Ш. Бозе).
К фермионам относятся кварки и лептоны, к бозонам — кванты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны, гравитино и гравитоны). Эти частицы считаются истинно элементарными, т.е. далее неразложимыми. Остальные частицы классифицируются как условно элементарные, т.е. составные частицы, образованные из кварков и соответствующих квантов полей. Фермионы составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие.
Достижения в области исследования элементарных частиц способствовали дальнейшему развитию концепции атомизма. В настоящее время считают, что среди множества элементарных частиц можно выделить 12 фундаментальных частиц и столько же античастиц. Шесть частиц — это кварки с экзотическими названиями: «верхний», «нижний», «очарованный», «странный», «истинный», «прелестный». Остальные шесть — лептоны: электрон, мюон, тау-частица и соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное, тау-нейтрино).
Эти 12 частиц группируют в три поколения, каждое из которых состоит из четырех членов.
В первом поколении — «верхний» и «нижний» кварки, электрон и электронное нейтрино.
Во втором поколении — «очарованный» и «странный» кварки, мюон и мюонное нейтрино.
В третьем поколении — «истинный» и «прелестный» кварки и тау-частицы со своим нейтрино.
Обычное вещество состоит из частиц первого поколения.
Предполагается, что остальные поколения можно создать искусственно на ускорителях заряженных частиц.
На основе кварковой модели физики разработали простое и изящное решение проблемы строения атомов.
Каждый атом состоит из тяжелого ядра (сильно связанных глюонными полями протонов и нейтронов) и электронной оболочки. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической таблице химических элементов Д.И. Менделеева. Протон имеет положительный электрический заряд, массу в 1836 раз больше массы электрона, размеры порядка 10-13 см. Электрический заряд нейтрона равен нулю. Протон, согласно кварковой гипотезе, состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего», а нейтрон — из одного «верхнего» и двух «нижних» кварков. Их нельзя представить в виде твердого шарика, скорее, они напоминают облако с размытыми границами, состоящее из рождающихся и исчезающих виртуальных частиц.
Остаются еще вопросы о происхождении кварков и лептонов, о том, являются ли они основными «кирпичиками» природы и насколько фундаментальны. Ответы на эти вопросы ищут в современной космологии. Большое значение имеет исследование рождения элементарных частиц из вакуума, построение моделей первичного ядерного синтеза, породивших те или иные частицы в момент рождения Вселенной.
- 1. Естествознание – предмет и характеристика. Особенности курса ксе.
- 2. Наука – определение. Специфические черты.
- 3.Структура научного познания. Критерии и нормы научности.
- 5. Культура – определение и специфика. Виды культуры.
- Взаимосвязь естественнонаучной и гуманитарной культур заключается в следующем:
- 7. Характеристика знаний в древнем мире (Вавилон, Египет, Китай).
- 8. Естествознание средневековья (мусульманский Восток, христианский Запад).
- 9. Наука Нового времени (н. Коперник, Дж. Бруно, г. Галилей, и. Ньютон и другие).
- 10. Научные революции эпохи Возрождения.
- 11. Классическое естествознание – характеристика.
- 12. Неклассическое естествознание – характеристика.
- 13. Стадии развития естествознания (синкретическая, аналитическая, синтетическая, интегрально-дифференциальная).
- 14. Древнегреческая натурфилософия (Аристотель, Демокрит, Пифагор и др.).
- 15. Научные методы. Эмпирический уровень (наблюдение, измерение, эксперимент) и теоретический уровень (абстрагирование, формализация, идеализация, индукция, дедукция).
- 16.Научные методы: всеобщий, общенаучный и частнонаучный.
- 17. История развития взглядов на пространство и время в истории науки.
- 18. Пространство и время (классическая механика и. Ньютона и теория относительности а. Эйнштейна).
- 19.Общие и специфические свойства пространства и времени.
- 21. Естественнонаучная картина мира: физическая картина мира (механическая, электромагнитная, современная – квантово-релятивистская).
- 22.Принципиальные особенности современной естественнонаучной картины мира.
- 23. Структурные уровни организации материи (микро-, макро- и мегамир).
- 24.Макромир: концепции классического естествознания
- 25. Микромир: концепции современной физики.
- 26. Мегамир: современные астрофизические и космологические концепции
- 27. Вещество и поле. Корпускулярно-волновой дуализм.
- 28. Корпускулярная и континуальная концепции описания природы.
- 29. Элементарные частицы: классификация и характеристика.
- 30. Понятие взаимодействия. Концепция дальнодействия и близкодействия.
- 31. Характеристика основных видов взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое).
- 32. Основы квантовой механики: открытия м. Планка, н. Бора, э. Резерфорда, в. Паули, э. Шрёдингера и др.
- 33. Динамические и статистические законы.
- 34.Принципы современной физики (симметрии, соответствия, дополнительности и соотношения неопределённостей, суперпозиции).
- 35.Закон возрастания энтропии: 1 и 2 законы термодинамики. Энтропия мера хаоса.
- 4. Релятивистская модель Вселенной.
- 5. Модель Большого взрыва.
- 6. Модель расширяющейся Вселенной.
- 37. Внутреннее строение Земли. Геологическая шкала времени.
- 38. История развития концепций геосферных оболочек Земли. Экологические функции литосферы.
- 41. Основные законы химии. Химические процессы и реакционная способность веществ.
- 42.Равновесие в химических реакциях (Принцип Ле-Шателье ). Закон возрастания энтропии.
- 43. Биология в современном естествознании. Характеристика «образов» биологии (традиционная)
- Традиционная, или натуралистская биология.
- 44.Характеристика «образов» биологии (физико-химическая)
- 1) Метод меченых атомов.
- 2) Методы рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии.
- 3) Методы фракционирования.
- 4) Методы прижизненного анализа.
- 5) Использование эвм.
- 45.Характеристика «образов» биологии (эволюционная)
- 46. Концепции происхождения жизни на Земле (креационизм, самопроизвольное (спонтанное) зарождение, теория стационарного состояния, теория панспермии и теория биохимической эволюции).
- 1. Креационизм.
- 2. Самопроизвольное (спонтанное) зарождение.
- 3. Теория стационарного состояния.
- 4. Теория панспермии.
- 5. Теория биохимической эволюции.
- 47. Признаки живых организмов. Характеристика форм жизни (вирусы, бактерии, грибы, растения и животные).
- 48. Структурные уровни организации живой материи.
- 49. Происхождение и этапы эволюции человека как биологического вида.
- 50. Клеточная организация живых систем (структура клетки).
- 1. Животная клетка:
- 2. Растительная клетка:
- 51. Химический состав клетки (элементарный, молекулярный – неорганические и органические вещества).
- 52. Биосфера – определение. Учение в. И. Вернадского о биосфере.
- 53. Система: природа - биосфера – человек.
- 54.Влияние природы на человека (географическая среда). Влияние человека на природу (техносфера).
- 56. Понятие о живом веществе биосферы. Функции живого вещества в биосфере.
- 57. Ноосфера – определение и характеристика. Этапы и условия становления ноосферы.
- 58.Ресурсная и биосферная модели развития биосферы.
- 59.Модель устойчивой мировой системы. Законы экологии.
- 60. Физиология человека. Характеристика физиологических систем человека (нервная, эндокринная, сердечно-сосудистая, дыхательная, выделительная и пищеварительная).
- 61. Концепция здоровья. Условия ортобиоза.
- 62.Валеология – понятие
- 64.Эмоции, творчество и работоспособность.
- 65. Кибернетика (исходные понятия). Качественная характеристика информации.
- 66. Концепции самоорганизации: синергетика.
- 67.Принципы синергетики
- 68.Интеллект и искусственный разум.
- 69.Искусственный разум: перспективы развития.
- 70.Космические циклы: Гелиобиология и селенобиология.